臺科大教授與麻省理工以「雙槳輪」突破固態電池困境 登上權威期刊封面

記者:李雲/台北 | 來源:蹦新聞 | 日期:2023/03/20 | 瀏覽次數:443

電動車鋰電池起火新聞頻傳,更安全的「固態電池」研究受到極大矚目,但固態電池的充放電速度慢、循環壽命低等問題,一直是阻礙。臺科大機械工程系助理教授蔡秉均,與MIT麻省理工美國工程院士Yet-Ming Chiang為首的團隊,以及密西根大學、柏克萊大學、阿貢國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室等全球頂尖學術單位跨國合作,首次發現利用「雙槳輪」機制(Double Paddle-wheel Mechanism),可加速固態電池充放電速度。此研究合作成員皆是當今頂尖的科學家,在多項實驗技術與理論計算都位於領導地位,蔡秉均不但以第一作者的身份,發表此研究發現在國際能源權威期刊《先進能源材料(Advanced Energy Materials)》,還被選為當期封面報導,受到學術圈極高肯定。

電池的主要組成為正極、負極和電解質,充電時,離子會從正極脫離,經由電解質傳遞至負極,放電時則是相反。因此,電解質是固態還是液態,會影響離子傳送的速度,進而決定電池充放電的效率。目前電動車、手機等大量電子產品,都是使用屬於「液態電池」的鋰電池,使用的電解質為液態有機物,傳導離子的速度快,但卻屬於易燃物質,安全性不斷受到質疑。相反地,固態電池使用的電解質是無機材料或聚合物,例如陶瓷,較不易燃燒,安全性高,但傳導離子的能力卻比較差。

蔡秉均與Yet-Ming Chiang為首的團隊這次的突破,正是發現透過「雙槳輪」機制,可以有效強化固態電解質的離子傳導速度,開啟了電池材料設計的更多想像。所謂的「雙槳輪」現象,是源於「槳輪」概念(Paddle-wheel Mechanism),這個概念最早於1980年代由一位瑞典物理學家提出,但當時一直無法驗證;時空一轉,現在這個「槳輪」概念卻由臺科大與麻省理工等單位共同合作實現了,並且發現更具有效果的「雙槳輪」機制。

蔡秉均說明,比起槳輪(水車的葉扇、Paddle wheel),「旋轉門」更容易解釋這個機制如何運作。傳統固態電池的離子傳輸法是「空位傳導機制」,可想像成離子在固體中傳輸時,原需要推開旁邊不易移動的堅固通道,因此受到極大阻力。不過,透過「雙槳輪」機制,能製造出類似旋轉門的活動性通道,讓離子快速通過,將開啟新一代高導離子材料設計。

而能讓「雙槳輪」機制發揮效果的核心,就是找到適合的材料。蔡秉均提到,過去在設計「高導離子固態電解質」的材料時,都是從週期表進行單種元素的設計。不過,團隊鎖定探究多種原子結合成的「團簇(Cluster-ion)」,過程中,團隊嘗試了40幾種化合物,因為所要合成的化合物不存在於自然界,相當不容易。蔡秉均在鍥而不捨的努力下,終於找到透過「雙槳輪機制」快速傳導離子的「反鈣鈦礦結構」材料。團隊成員們合作彼此在具領導地位的各項實驗技術與計算理論專長,共同發現鈉離子遷移率受到兩團簇陰離子(NH2-)和(BH4-)旋轉的影響,可以讓鈉離子導電率比傳統傳導機制高出百倍之多。

「雙槳輪」機制打破固態電池傳導離子的既有方法,未來可應用在新材料的設計,有助固態離子導體的探索。雖然距離真的應用到市場的產品,還有很長的一段路要走,但可以期待有一天,更安全的固態電池會被應用在手機、筆電、電動車中。

值得一提的是,蔡秉均長年致力於先進電池材料開發,專注研究高電容量、高倍率、高安全性、長壽命、及低成本的電池材料,他的儲能電池技術開發,長期受到國科會計畫支持,過去研究成果也曾陸續登上《Nature Energy》、《Energy & Environmental Science》、《Joule》等國際權威期刊。

2020年蔡秉均從美國MIT歸國,加入臺科大後,持續與跨國單位合作,每週定期視訊討論,橫跨多時區,常在半夜開會。蔡秉均表示,因為有進展,並不會累,還很有動力。他會繼續探索陶瓷材料與電池領域的應用,另一方面培育學生,傳承能力與經驗,今年度蔡秉均也由臺科大學生票選為教學績優教師。